Considerazioni sulla scelta della tenuta – Installazione di tenute meccaniche doppie ad alta pressione

Disposizione 3 tenute meccaniche sonodoppie guarnizionidove la cavità del fluido barriera tra le guarnizioni viene mantenuta ad una pressione maggiore della pressione della camera di tenuta. Nel corso del tempo, l'industria ha sviluppato diverse strategie per creare l'ambiente ad alta pressione necessario per queste tenute. Queste strategie sono catturate nei progetti delle tubazioni della tenuta meccanica. Sebbene molti di questi piani svolgano funzioni simili, le caratteristiche operative di ciascuno possono essere molto diverse e incideranno su tutti gli aspetti del sistema di tenuta.

Il piano delle tubazioni 53B, come definito dalla norma API 682, è un piano delle tubazioni che pressurizza il fluido barriera con un accumulatore a sacca caricato di azoto. La camera d'aria pressurizzata agisce direttamente sul fluido barriera, pressurizzando l'intero sistema di tenuta. La camera d'aria impedisce il contatto diretto tra il gas di pressurizzazione e il fluido barriera eliminando l'assorbimento del gas nel fluido. Ciò consente di utilizzare il Piping Plan 53B in applicazioni a pressione più elevata rispetto al Piping Plan 53A. La natura autonoma dell'accumulatore elimina inoltre la necessità di una fornitura costante di azoto, il che rende il sistema ideale per installazioni remote.

I vantaggi dell'accumulatore a sacca sono tuttavia controbilanciati da alcune caratteristiche operative del sistema. La pressione di un Piping Plan 53B è determinata direttamente dalla pressione del gas nella camera d'aria. Questa pressione può cambiare radicalmente a causa di diverse variabili.

La camera d'aria nell'accumulatore deve essere precaricata prima di aggiungere il fluido barriera nel sistema. Ciò crea la base per tutti i futuri calcoli e interpretazioni del funzionamento dei sistemi. La pressione di precarica effettiva dipende dalla pressione operativa del sistema e dal volume di sicurezza del fluido barriera negli accumulatori. La pressione di precarica dipende anche dalla temperatura del gas nella camera d'aria. Nota: la pressione di precarica viene impostata solo alla prima messa in servizio del sistema e non verrà modificata durante il funzionamento effettivo.

La pressione del gas nella vescica varierà a seconda della temperatura del gas. Nella maggior parte dei casi, la temperatura del gas seguirà la temperatura ambiente nel luogo di installazione. Le applicazioni in regioni in cui sono presenti grandi variazioni giornaliere e stagionali delle temperature subiranno grandi oscillazioni nella pressione del sistema.

Consumo di fluido barrieraDurante il funzionamento, le tenute meccaniche consumano il fluido barriera a causa delle normali perdite delle tenute. Questo fluido barriera viene reintegrato dal fluido nell'accumulatore, determinando un'espansione del gas nella sacca e una diminuzione della pressione del sistema. Queste modifiche dipendono dalle dimensioni dell'accumulatore, dai tassi di perdita delle guarnizioni e dall'intervallo di manutenzione desiderato per il sistema (ad esempio, 28 giorni).

La variazione della pressione del sistema è il modo principale con cui l'utente finale monitora le prestazioni della tenuta. La pressione viene utilizzata anche per creare allarmi di manutenzione e per rilevare guasti alle guarnizioni. Tuttavia, le pressioni cambieranno continuamente mentre il sistema è in funzione. Come dovrebbe l'utente impostare le pressioni nel sistema Plan 53B? Quando è necessario aggiungere il fluido barriera? Quanto liquido bisogna aggiungere?

La prima serie di calcoli ingegneristici ampiamente pubblicata per i sistemi Plan 53B è apparsa nella quarta edizione dell'API 682. L'Allegato F fornisce istruzioni dettagliate su come determinare pressioni e volumi per questo piano di tubazioni. Uno dei requisiti più utili dell'API 682 è la creazione di una targhetta standard per gli accumulatori a sacca (API 682 quarta edizione, tabella 10). Questa targhetta contiene una tabella che cattura le pressioni di precarica, riempimento e allarme per il sistema nell'intervallo delle condizioni di temperatura ambiente nel sito di applicazione. Nota: la tabella dello standard è solo un esempio e i valori effettivi cambieranno in modo significativo se applicati a un'applicazione specifica sul campo.

Uno dei presupposti di base della Figura 2 è che si prevede che il Piping Plan 53B funzioni in modo continuo e senza modificare la pressione di precarica iniziale. Si presuppone inoltre che il sistema possa essere esposto a un intero intervallo di temperature ambiente per un breve periodo di tempo. Ciò ha implicazioni significative nella progettazione del sistema e richiede che il sistema funzioni a una pressione maggiore rispetto ad altri progetti di tubazioni a doppia tenuta.

Utilizzando la Figura 2 come riferimento, l'applicazione di esempio è installata in un luogo in cui la temperatura ambiente è compresa tra -17°C (1°F) e 70°C (158°F). Il limite superiore di questo intervallo sembra essere irrealisticamente elevato, ma comprende anche gli effetti del riscaldamento solare di un accumulatore esposto alla luce solare diretta. Le righe sulla tabella rappresentano gli intervalli di temperatura tra i valori più alto e più basso.

Quando l'utente finale utilizza il sistema, aggiungerà la pressione del fluido barriera fino a raggiungere la pressione di riempimento alla temperatura ambiente corrente. La pressione di allarme è la pressione che indica che l'utente finale deve aggiungere ulteriore fluido barriera. A 25°C (77°F), l'operatore precaricherà l'accumulatore a 30,3 bar (440 PSIG), l'allarme sarà impostato su 30,7 bar (445 PSIG) e l'operatore aggiungerà fluido barriera fino al raggiungimento della pressione 37,9 bar (550 PSIG). Se la temperatura ambiente scende a 0°C (32°F), la pressione di allarme scenderà a 28,1 bar (408 PSIG) e la pressione di riempimento a 34,7 bar (504 PSIG).

In questo scenario, sia la pressione di allarme che quella di riempimento cambiano, o fluttuano, in risposta alla temperatura ambiente. Questo approccio viene spesso definito strategia float-floating. Sia l'allarme che la ricarica "galleggiano". Ciò si traduce in pressioni operative più basse per il sistema di tenuta. Ciò, tuttavia, pone due requisiti specifici all'utente finale; determinare la corretta pressione di allarme e la pressione di ricarica. La pressione di allarme per il sistema è una funzione della temperatura e questa relazione deve essere programmata nel sistema DCS dell'utente finale. La pressione di ricarica dipenderà anche dalla temperatura ambiente, quindi l'operatore dovrà fare riferimento alla targhetta per trovare la pressione corretta per le condizioni attuali.

Alcuni utenti finali richiedono un approccio più semplice e desiderano una strategia in cui sia la pressione di allarme che le pressioni di ricarica siano costanti (o fisse) e indipendenti dalla temperatura ambiente. La strategia fissa-fissa fornisce all'utente finale una sola pressione per riempire il sistema e un solo valore per allarmare il sistema. Purtroppo questa condizione deve presupporre che la temperatura sia al valore massimo, poiché i calcoli compensano la diminuzione della temperatura ambiente dalla temperatura massima a quella minima. Ciò fa sì che il sistema funzioni a pressioni più elevate. In alcune applicazioni, l'utilizzo di una strategia fissa-fissa può comportare modifiche nella progettazione della tenuta o nelle classificazioni MAWP di altri componenti del sistema per gestire pressioni elevate.

Altri utenti finali applicheranno un approccio ibrido con una pressione di allarme fissa e una pressione di ricarica variabile. Ciò può ridurre la pressione operativa semplificando al tempo stesso le impostazioni dell'allarme. La decisione sulla corretta strategia di allarme dovrebbe essere presa solo dopo aver considerato le condizioni di applicazione, l'intervallo di temperatura ambiente e le esigenze dell'utente finale.

Sono state apportate alcune modifiche alla progettazione del Piping Plan 53B che possono contribuire a mitigare alcune di queste sfide. Il riscaldamento dovuto alla radiazione solare può aumentare notevolmente la temperatura massima dell'accumulatore per i calcoli di progettazione. Posizionando l'accumulatore all'ombra o costruendo uno schermo solare per l'accumulatore è possibile eliminare il riscaldamento solare e ridurre la temperatura massima nei calcoli.

Nelle descrizioni precedenti, il termine temperatura ambiente viene utilizzato per rappresentare la temperatura del gas nella vescica. In condizioni di temperatura ambiente stazionaria o in lento cambiamento, questo è un presupposto ragionevole. Se si verificano grandi sbalzi nelle condizioni di temperatura ambiente tra il giorno e la notte, l'isolamento dell'accumulatore può moderare le effettive oscillazioni di temperatura della sacca, determinando temperature di esercizio più stabili.

Questo approccio può essere esteso all’utilizzo del tracciamento elettrico e dell’isolamento sull’accumulatore. Quando questo viene applicato correttamente, l'accumulatore funzionerà ad una temperatura indipendentemente dai cambiamenti giornalieri o stagionali della temperatura ambiente. Questa è forse la singola opzione progettuale più importante da considerare in aree con grandi variazioni di temperatura. Questo approccio ha un'ampia base installata sul campo e ha consentito di utilizzare il Plan 53B in luoghi che non sarebbero stati possibili con il tracciamento elettrico.

Gli utenti finali che stanno valutando l'utilizzo di un Piping Plan 53B devono essere consapevoli che questo piano di tubazioni non è semplicemente un Piping Plan 53A con un accumulatore. Praticamente ogni aspetto della progettazione, della messa in servizio, del funzionamento e della manutenzione del sistema di un Piano 53B è unico per questo piano di tubazioni. La maggior parte delle frustrazioni sperimentate dagli utenti finali derivano dalla mancanza di comprensione del sistema. Gli OEM di sigilli possono preparare un'analisi più dettagliata per un'applicazione specifica e possono fornire il background necessario per aiutare l'utente finale a specificare e utilizzare correttamente questo sistema.